Faktori koji utječu na kvalitetu površine odljevaka

Kvaliteta površine odljevaka je funkcija svakog koraka koji dodiruje uzorak, kalup i metal — od stanja matrice/uzorka i reologije uzorka i materijala do pripreme školjke/premaza, deparatiranje i ispaljivanje granata, do topljenja, izlijevanje, hlađenje i završno rukovanje.

Kontrola hrapavosti površine (Ra) a izbjegavanje nepravilnosti na mikro razmjerima zahtijeva rigoroznu pažnju alata, materijali, parametri procesa i rukovanje nakon livenja.

Ovaj članak analizira glavne faktore, kvantificira praktične opsege kontrole gdje je to moguće, i daje preporuke za procese i inspekcije koje se mogu primijeniti.

1. Faktori vezani za plijesan

Kalup služi kao temelj Investicijska livenja, jer njegov kvalitet direktno određuje oblik i stanje površine voštanog uzorka, koji se na kraju prenosi na završni odljev.

Utjecaj kalupa na kvalitet površine voštanog uzorka može se elaborirati s tri aspekta:

Dizajn strukture kalupa i kvaliteta površine

Nerazuman dizajn strukture kalupa često dovodi do ogrebotine i nagrizanje tokom deformisanja voštanog uzorka. Popravljene površine voštanog uzorka su neizbježno inferiorne u odnosu na original, i ovi defekti će se direktno replicirati na površini livenja.

Na primjer, Oštar uglovi (bez fileta R<0.3mm), nedovoljni uglovi promaja (<1° za složene šupljine), ili neravne površine odvajanja u strukturi kalupa povećavaju trenje između uzorka voska i šupljine kalupa, uzrokujući površinsko oštećenje tokom vađenja iz kalupa.

Hrapavost površine kalupa je odlučujući faktor za kvalitet površine voštanog uzorka. Ako je hrapavost površine kalupa samo Ra3,2μm, rezultirajući uzorak voska će imati još niži kvalitet površine (Ra4,0–5,0μm), koji se direktno prenosi na odljevak.

Praktično iskustvo pokazuje da treba kontrolisati optimalnu hrapavost površine kalupa unutar Ra0,8μm; pretjerana glatkoća (npr., Ra0.2μm) ne poboljšava značajno kvalitet uzorka voska, ali povećava troškove obrade kalupa za 30%-50%.

Kontrola temperature kalupa

Temperatura kalupa ima značajan uticaj na fluidnost voska i tačnost replikacije. Za srednjetemperaturne sisteme voska, optimalna temperatura kalupa je 45–55℃.

Kada je temperatura kalupa preniska (<35℃), fluidnost voštanog materijala naglo opada, što rezultira lošom površinskom replikacijom voštanog uzorka, praćeno oznakama protoka i hladnim zatvaračima.

Još kritičnije, ako temperatura kalupa padne ispod tačke rose vode (obično 15–20℃ u radionicama), na površini kalupa će se formirati brojne kapljice vode.

Ove kapljice zauzimaju prostor voštanog materijala tokom ubrizgavanja, što dovodi do neravne površine voštanog uzorka – defekt koji je također uzrokovan prekomjernim oslobađanjem (debljina prskanja >5μm).

Održavanje odgovarajuće temperature kalupa je bitno. Pravilno povećanje temperature kalupa (do 50–55℃) i pritisak ubrizgavanja (do 0,3–0,5 MPa) može efikasno poboljšati fluidnost voštanog materijala, poboljšati sposobnost replikacije uzorka voska na površini kalupa, i na taj način indirektno poboljšati kvalitet površine livenja.

Međutim, previsoka temperatura kalupa (>60℃) može uzrokovati da se voštani materijal presporo ohladi i stvrdne, što dovodi do deformacije voštanog uzorka (dimenzionalno odstupanje >0.5mm) i povećanje vremena proizvodnog ciklusa, zahtijeva ravnotežu između kvaliteta i efikasnosti.

Veličina kapije za ubrizgavanje voska

Veličina kapije za ubrizgavanje voska direktno utiče na pritisak ubrizgavanja i brzinu punjenja voska.

Za male odljevke (težina <500g), optimalni prečnik kapije je **φ8–φ10mm**; za velike odljevke (težina >500g), prečnik kapije se može povećati na φ10–φ12mm.

Odgovarajuće povećanje veličine kapije pomaže da se poveća pritisak ubrizgavanja voska, osigurati potpuno punjenje kalupne šupljine, i smanjiti površinske defekte kao što su nedovoljno punjenje i oznake protoka na uzorku voska.

Za složene odljevke sa tankim zidovima (<2mm), dizajn sa više kapija (2–4 kapije) preporučuje se za dodatno poboljšanje ujednačenosti punjenja.

2. Utjecaj voštanog materijala

Vrsta i performanse voštanog materijala su ključni faktori koji određuju kvalitet površine voštanog uzorka, budući da različiti voštani materijali pokazuju različita ponašanja kristalizacije i skrućivanja.

Tablica 1 sažima ključne parametre performansi i efekte na kvalitetu površine uobičajenih voštanih materijala za livenje.

Tablica 1: Usporedba performansi uobičajenih voštanih materijala za livenje u investicionu masu

Vosak niske temperature (Parafin-stearinska kiselina vosak)

Vosak niske temperature, sastavljen od parafina (60%-70%) i stearinska kiselina (30%-40%), proizvodi voštane uzorke najlošijeg kvaliteta površine.

Kao kristalni vosak, ima uski raspon temperature kristalizacije i krupna zrna stearinske kiseline (Veličina zrna >50μm).

Tokom skrućivanja, nema dovoljno tečnog voska da popuni praznine između zrna, što rezultira grubom površinom uzorka voska.

Čak i povećanjem pritiska ubrizgavanja ili podešavanjem parametara procesa, kvalitet površine voštanih uzoraka napravljenih od niskotemperaturnog voska ne može se značajno poboljšati, ograničavajući njegovu primjenu u visokopreciznom livenju.

Vosak srednje temperature

Vosak srednje temperature, višekomponentna mješavina koja sadrži mikrokristalni vosak, smola, i plastifikatori, nema fiksnu tačku topljenja i širi raspon temperatura očvršćavanja u poređenju sa voskom na niskoj temperaturi.

Tokom skrućivanja, zbog različitih temperatura očvršćavanja njegovih komponenti, tečna faza može u potpunosti popuniti praznine između čvrstih faza, što rezultira uzorcima voska sa znatno većim kvalitetom površine.

Međutim, performanse voska srednje temperature variraju među različitim proizvođačima; vosak sa sadržajem smole od 5%-8% pokazuje najbolju ravnotežu između fluidnosti i glatkoće površine.

Filled Wax

Punjeni vosak, ojačana keramičkim prahom (5%-10%) ili staklenih vlakana (3%-5%), proizvodi voštane uzorke s najvišim kvalitetom površine.

Dodatak punila optimizira ponašanje kristalizacije voštane matrice, smanjuje skupljanje učvršćivanja (iz 2.0% na 0,8%–1,2%), i poboljšava površinsku tvrdoću i otpornost na habanje voštanog uzorka.

Ovo ne samo da poboljšava glatkoću površine voštanog uzorka, već i smanjuje deformaciju tokom skladištenja i transporta (stopa deformacije <0.2% u roku od 24h), osigurava stabilan prijenos kvaliteta površine na odljevak.

Čišćenje dezena voskom i površinsko jetkanje

Čišćenje voštanog uzorka često se pogrešno shvata kao samo uklanjanje sredstava za odvajanje sa površine, ali njegova najvažnija funkcija je površinsko graviranje.

Za srednjetemperaturne uzorke voska, optimalni proces čišćenja koristi neutralno sredstvo za jetkanje (koncentracija 5%–8%) sa pH vrednošću 6,5–7,5, vreme namakanja 1-2 minuta, nakon čega slijedi ispiranje dejoniziranom vodom i sušenje na 40-50℃ 10-15 minuta.

Tokom procesa čišćenja, na površini voštanog uzorka formira se blagi efekat jetkanja, što povećava hrapavost površine voštanog uzorka na mikroskali (Ra od 1,6 μm do 2,0–2,5 μm) i poboljšava kvašenje i prianjanje naknadnog površinskog premaza.

Pravilnim nagrizanjem stvara se „mikrohrapava“ površina koja omogućava čvršće prianjanje premaza, izbjegavanje ljuštenja premaza ili nejednake debljine tokom sušenja i pečenja.

Ovo je posebno važno za poboljšanje glatkoće površine odlivaka, jer dobro prianjajući premaz može učinkovito replicirati površinu voštanog uzorka i spriječiti defekte prodiranja pijeska.

4. Faktori površinskog premaza

Površinski premaz (primarni premaz) je u direktnom kontaktu sa uzorkom voska, a njegovi performanse i parametri primjene imaju odlučujući utjecaj na kvalitet površine odljevka.

Svojstva materijala za površinski premaz

Dok je utjecaj površinskog praha i pijeska na kvalitet površine široko poznat, efekat silicijum-sola – važne komponente premaza – na kvalitet površine je manje razumljiv.

Visokokvalitetna silika sol (bilo da je uvezena ili domaća proizvodnja) sa ujednačenom veličinom koloidnih čestica (10-20 nm) i niskog viskoziteta (2–5 mPa·s na 25℃) pokazuje vrhunske performanse.

Pod istim viskozitetom protočne čaše (Ford Cup #4: 20-25s), takav silicijum sol može postići veći omjer praha i tekućine (2.5:1-3.0:1 za prah cirkona), što rezultira gustim primarnim premazom.

Gušći premaz smanjuje površinsku poroznost (poroznost <5%) i poboljšava sposobnost repliciranja površine voštanog uzorka, što dovodi do glađe površine livenja (Ra smanjen za 0,4–0,8 μm u poređenju sa upotrebom niskokvalitetnog silicijum dioksida).

Debljina površinskog premaza

Za prah cirkona (Cirkon prah veličine čestica 325–400 mesh), optimalna debljina primarnog premaza je 0.08–0,1 mm. I prevelika i nedovoljna debljina negativno utječu na kvalitetu površine livenja:

• Nedovoljna debljina (<0.08mm): Lako dovodi do defekata „krastavčevog trna“ – oštrih, igličaste izbočine (visina 0,1–0,3 mm) na površini odljevka uzrokovane prodiranjem pijeska ili neravnomjernim premazom.
• Prekomjerna debljina (>0.1mm): Posljediči različitim oblicima kvarova.
  Zbog skupljanja tokom sušenja i pečenja (stopa skupljanja 3%–5%), debeli premaz se može djelomično odvojiti od površine voštanog uzorka, formiranje grubo, zaobljene konveksne čestice (prečnika 0,2–0,5 mm) na površini livenja.

Kontrola debljine premaza zahtijeva precizno podešavanje viskoziteta suspenzije (Ford Cup #4: 20-25s), vrijeme potapanja (5–10s), i uslove sušenja (temperatura 25–30℃, vlažnost 40%–60%, vreme sušenja 2-4h) kako bi se osigurala ujednačena debljina i dobro prianjanje.

5. Proces deparavanja

Cilj odstranjivanja voska je potpuno uklanjanje voska iz kalupa za školjke.

Za vosak srednje temperature, optimalni proces deparatizacije koristi parni kotlić za deparatizaciju pod pritiskom od 0.6-0,8 MPa i temperaturu od 120–130℃, vrijeme deparavanja od 15–25 minuta (prilagođava se prema veličini školjke).

Ostatak voska u ljusci (maseni udio >0.5%), ako nije potpuno izgoreo tokom pečenja, proizvodi čađu i druge nečistoće, koji prianjaju na površinu livenja i degradiraju kvalitet površine – o čemu se dalje govori u odjeljku o pečenju.

Međutim, potpuna deparatizacija ne znači produženo vrijeme deparavanja. Pod pretpostavkom da se osigura potpuno uklanjanje voska (rezidualnog voska <0.5%), vrijeme deparavanja treba svesti na minimum.

Temperatura u kotliću za deparavanje je veća od one u općoj opremi za brzu dehidraciju, i dugotrajno izlaganje voska visokim temperaturama (>130℃ for >30 minuta) ubrzava starenje voska.

Zastarjeli vosak pokazuje smanjenu tečnost (povećanje viskoziteta za 20%-30%) i povećana je prljavština, što može uticati na naknadno recikliranje voska i povećati rizik od defekta u novim uzorcima voska.

6. Shell Mould Storage

Način skladištenja kalupa za školjke ovisi o čistoći radionice, sa osnovnim ciljem da se minimizira ili spriječi ulazak stranih predmeta u šupljinu školjke.

Tablica 2 navodi optimalne parametre skladištenja za kalupe za ljuske nakon deparavanja.

Tablica 2: Optimalni parametri skladištenja za devoskaste kalupe

Mnogi proizvođači pogrešno vjeruju da postavljanje školjke tako da je čašica s ulijevom okrenutom prema dolje osigurava sigurnost, ali to nije uvijek slučaj.

Ako su školjke postavljene direktno na tlo ili željezni okviri kontaminirani česticama pijeska i drugim krhotinama, strani predmeti mogu ući u šupljinu tokom rukovanja, uzrokujući inkluzije u odljevcima.

Takvi uključci zahtijevaju brušenje i popravak zavarivanjem, što ozbiljno narušava kvalitet površine livenja (Ra se povećao za 2,0–3,0 μm nakon popravke).

7. Shell Mold Roasting

Preostali vosak u kalupu za školjke mora biti potpuno spaljen tokom pečenja kako bi se izbjegli ostaci ugljenika. Optimalni proces pečenja za školjke na bazi cirkona je sljedeći:

1. Faza grijanja: Zagrijati od sobne temperature do 500℃ brzinom od 5–10℃/min (sporo zagrijavanje kako bi se izbjeglo pucanje ljuske).
2. Faza izolacije 1: Držite na 500℃ za 30 minuta za sagorevanje zaostalog voska.
3. Faza grijanja 2: Zagrejati od 500℃ do 900–1100℃ brzinom od 10-15℃/min.
4. Faza izolacije 2: Držite na 900–1100 ℃ za 2-3 sata za poboljšanje čvrstoće ljuske i uklanjanje preostale vlage.

Kako bi se osiguralo potpuno sagorijevanje zaostalog voska, sadržaj kiseonika u peći za pečenje treba da dostigne 12% (praćeno senzorima kiseonika u vrhunskoj opremi).

Kada je sadržaj kiseonika samo oko 6%, gusti crni dim će se pojaviti na približno 800℃, koje treba izbegavati.

Za opremu bez funkcionalnosti opskrbe kisikom, djelimično otvaranje vrata peći (razmak 5–10 cm) za povećanje unosa zraka može poboljšati nivo kisika i promovirati potpuno sagorijevanje voska.

Pravilno pečenje također povećava čvrstoću ljuske (Snaga pritiska >20MPa) i smanjuje površinsku poroznost, dodatno optimiziranje kvaliteta površine livenja.

8. Topljenje, čistoća metala i zalivanje

Praksa topljenja i izlivanja utiče na površinsku oksidaciju, reaktivnost i stvaranje filma na površini.

Ključni uticaji

• Kontrola punjenja i troske: kontaminirani materijali punjenja i slabo fluksiranje daju veće inkluzije na površini ili oksidne filmove koji zadržavaju hrapavost blizu površine.
• Temperatura i brzina izlivanja: previsoke temperature izlivanja mogu povećati oksidaciju ili pretjeranu reakciju s ljuskom; preniska temperatura može uzrokovati nepotpuno punjenje i hrapavost zbog preranog smrzavanja.
• Metoda hlađenja nakon sipanja: kontrola brzine hlađenja i izbjegavanje površinske reoksidacije (npr., upotreba kutija za izlivanje/pokriva) pomažu minimizirati površinske sukobe.

Praktične kontrole

• Stroga kontrola punjenja peći, efikasna deoksidacija i čisti fluks/šljaka.
• Definirajte prozore temperature izlijevanja i šeme zatvaranja koje promoviraju laminarnost, neturbulentno punjenje za smanjenje hvatanja plina i formiranje površinskog filma.
• Minimizirajte izlaganje oksidirajućoj atmosferi tokom ranog skrućivanja (npr., upotreba prekrivenih kalupa kada je to prikladno).

9. Faza nakon završetka

Mnogi odljevci pokazuju prihvatljivu kvalitetu površine odmah nakon izlivanja, ali postaju ozbiljno oštećeni nakon završne obrade - što ovu fazu čini glavnim krivcem za degradaciju kvalitete površine kod mnogih proizvođača.

Ističu se dva ključna pitanja: šteta od sudara i miniranje.

Prevencija štete od sudara

Implementirati a klasificirani sistem skladištenja i transporta: koristite plastične tacne sa mekim podstavom (Debljina EVA pene 5–10 mm) za male odljevke; koristite namjenske učvršćivače za velike odljevke kako biste izbjegli direktan kontakt između odljevaka. Ovo može smanjiti stopu oštećenja od sudara za više od 80%.

Optimizacija procesa pjeskarenja

Pjeskarenje se koristi za uklanjanje površinskih oksida i pijeska, i njegovi procesni parametri direktno utiču na kvalitet površine livenja. Optimalni parametri pjeskarenja za odljevke od nehrđajućeg čelika su sljedeći:

• Specifikacije čelične sačme: Sačma od livenog čelika, prečnika 0,3–0,5 mm, tvrdoća HRC 40–50.
• Pritisak peskarenja: 0.4–0,6 MPa.
• Vrijeme miniranja: 10–15 minuta po ciklusu (ne više od 15 minuta).
• Zahtjevi za opremu: Koristite sačmare sa uniformnim projekcijskim sistemima (uniformnost projekcije ≥90%) i stabilnu kontrolu struje (fluktuacija struje <5%).

Vrijeme pjeskarenja treba strogo kontrolirati – ne više od 15 minuta po ciklusu. Ako površina nije dovoljno očišćena, Višekratni kratki ciklusi su poželjniji u odnosu na produženo jednociklično pjeskarenje kako bi se izbjegla prekomjerna površinska erozija (Ra se povećao za 1,0–2,0 μm nakon prekomjernog miniranja).

10. Zaključak

Kvalitet površine odlivaka je multidisciplinaran rezultat: metalurgija, obrada keramike, termičko inženjerstvo i mehaničko rukovanje doprinose.

Tretiranjem završne obrade površine kao atributa kvaliteta koji je kritičan za proces — definiranjem numeričkih ciljeva, praćenje kritičnih parametara (alat Ra, viskozitet kaše, debljina dlake lica, nivoi kiseonika devoska, otopiti/izliti prozore) i ugrađivanje kontrolnih tačaka – livnice mogu da proizvode konzistentno glatko, visokokvalitetni odljevci s predvidljivom produktivnošću i nižim troškovima prerade.